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量子光学

量子光学

必须指出的是，光量子学说的提出，成功的解释了光电效应现象的实验结果，促进了光电检测理论、光电检 测技术和光电检测器件等学科领域的飞速发展；因此，从这个意义上讲，爱因斯坦是光电检测理论之父。不仅如 此，光量子学说的提出最终导致了量子光学的建立，所以说它是量子光学发展的源头和起点；因此，从这个意义 上讲，爱因斯坦是量子光学的先驱和创始人。尤为重要的是，爱因斯坦在其光量子学说中所提出的有关光量子这 一概念，几经发展形成了当今的光子这一概念，最终导致光子学理论的建立，并由此带动了光子技术、光子工程 和光子产业的迅猛发展；可见，光量子学说是光子学、光子技术、光子工程和光子产业的发端；因此，从这个意 义上讲，爱因斯坦是光子学、光子技术、光子工程和光子产业的先导。除此而外，爱因斯坦在研究二能级系统的 黑体辐射问题时曾提出了受激辐射、受激吸收和自发辐射这三个概念，并形式的引入了爱因斯坦受激辐射系数、 受激吸收系数和自发辐射系数这三个系数等等；特别是受激辐射这一概念的提出，最终导致了激光器的发明、激 光的出现和激光理论的诞生，直至形成了当今的激光技术、激光工程和激光产业；因此，从这个意义上讲，爱因 斯坦本人是当之无愧的激光之父和激光理论的先驱。
图5研究实验
图6量子光学除了单个原子的自发辐射外，还有多个原子在一起时产生的相干自发辐射，也称超辐射。
发展历程
01
光电效应
02
理论体系
03
推向深入
04
学科成就
06
理论规则
05
激光之父
图7 M·普朗克提出了能量子假设众所周知，光的量子学说最初由A．Einstein于1905年在研究光电效应现象 时提出来的[注：光电效应现象包括外光电效应、内光电效应和光电效应的逆效应等等，爱因斯坦本人则是因为研 究外光电效应现象并从理论上对其做出了正确的量子解释而获得诺贝尔物理学奖；这是量子光学发展史中的第一 个重大转折性历史事件，同时又是量子光学发展史上的第一个诺贝尔物理学奖。尽管爱因斯坦终生对科学的贡献 是多方面的（例如，他曾建立狭义相对论和广义相对论等等），但他本人却只获得这唯一的一次诺贝尔物理学奖]。

《量子光学》课件

《量子光学》课件

压缩态：量子光 学中的特殊状态， 其量子态密度小 于真空态密度
特点：压缩态具 有较高的相干性 和较低的噪声， 可以提高量子通 信和量子计算的 效率
应用：压缩态在 量子通信、量子 计算、量子精密 测量等领域具有 广泛的应用前景
研究进展：近年 来，压缩态的研 究取得了重要进 展，如压缩态的 制备、测量和操 控等。
量子光学在量子通信、量子 计算等领域有广泛应用
量子光学的研究内容
量子光学的基本 原理
量子光学的实验 方法
量子光学的应用 领域
量子光学的发展 趋势
量子光学的发展历程
量子力学的诞生：1900年，普朗克提出量子概念，量子力学开始萌芽 量子光学的兴起：1927年，海森堡提出不确定性原理，量子光学开始发展 量子光学的成熟：1948年，玻尔提出量子光学理论，量子光学逐渐成熟 量子光学的应用：20世纪60年代，量子光学在通信、计算等领域得到广泛应用
量子光场的相干态描述
相干态：量子光场的一种特殊状态，具有确定的相位关系
相干态的性质：相干态具有确定的相位关系，可以描述为相干态的叠加
相干态的表示：相干态可以用相干态的叠加来表示，其中每个相干态的相位关系是确定的
相干态的应用：相干态在量子光学、量子信息等领域有广泛的应用，如量子通信、量子计算 等
单光子计数是一 种常用的量子光 场测量方法，可 以测量单个光子 的存在和数量。
光子关联测量是 一种测量量子光 场中光子之间的 关联性的方法， 可以测量光子之 间的纠缠、相干
等性质。
量子态层析是一 种测量量子光场 中光子状态的方 法，可以测量光 子的波长、偏振、
相位等信息。
量子光场的测量 实验
实验目的：测量量子光场的性质和 特性

量子物理第一章.ppt

量子物理第一章.ppt
尽管单个电子的去向是概率性的，但其概率在 一定条件下（如双缝），还是有确定的规律的。
玻恩（M.Born）：德布罗意波并不像经典 波那样是代表实在物理量的波动，而是描述粒 子在空间的概率分布的“概率波”。
7
四. 黑体辐射的规律 1. 斯特藩-玻耳兹曼定律
M(T)=T 4 = 5.6710-8 W/m2K4
2．维恩位移律
m = b/T b = 2.897756×10-3 m·K
3．理论与实验的对比 经典物理学遇到的困难
8
五.普朗克的能量子假说和黑体辐射公式
1．“振子”的概念（1900年以前)
• 物体----------振子
1 I1 2 I2 双缝实验
波面被分割，不表示光子被分割， 光子通过 1缝的概率正比于I1 ， 光子通过2缝的概率正 比于I2 。
光子在某处出现的概率和该处光振幅 的平方成正比。
18
四.应用
例题: 铝的逸出功是4.2eV,今用波长为200nm
的光照射铝表面,求:
(1)光电子的最大动能;
(2)截止电压
• 经典理论：振子的能量取“连续值”
2. 普朗克假定（1900）
能量
物体发射或吸收电磁辐射:
= h
h = 6.6260755×10 -34 J·s
3.普朗克公式
经典 量子
2h 3
M (T ) c2 eh / kT 1
在全波段与实验结果惊人符合
9
§6.2 光电效应
一.光电效应的实验规律 1.光电效应
h 0
ej
m0
传给电子 光子的能量
自由电子（静止） mv 散射X射线频率 波长
23
三. 康普顿散射实验的意义

《量子光学》PPT课件

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上述一系列新的物理现象使人们认识到，原子是由更小的粒子
组成。原子的内部肯定存在着新的物理规律。揭示了原子的内部存 在着更复杂的结构在十九世纪末物理学家面临的新课题。由此，揭 开了物理学发展史上的新的一页。
返回
第十五章 量子光学
在高中物理中已经提到物理光学中关于光的性 质的两种观点：
光:
波动性 是电磁波 。干射，衍射，偏振等特性 粒子性 光子 。 在与物质相互作用时表现出来
nh
类比
2h
h
0
nnh
n 0 ,1 ,2 ,3 ,
Step Energy
普朗克公式
在一定温度下，从物体单位表面积上，单位时间内，分布在
波长附近单位波长间隔内辐射能为
e,T 2 hc2 5
1
hc
f,T
普朗克理论与实验结果的比较
ekT1
eT,
实验结果
普朗克理论
0
普朗克（德）
1858—1947
提出能量量子化 的假设，解释了 电磁辐射的实验 规律获得1918年 诺贝尔奖。
普 朗 克 与 爱 因 斯 坦
例 15—1 一谐振子m04kg k40N m 1A00m 1
求 1 能量 E?，频率 0?
2 能量子 ? ，能量对应的量子数 n?
3 振子发射一个能量子，能量的相对变化率？
解 1
E1 2 3 1 3J 0 4 E 61029n最大量子数
求解光电效应题目公式：
1 2m2V hA
eU 0h A
12mV2eUa
而红限为 0
A h
Albert Einstein (German)
He was awarded the 1921 Nobel Prize for the discovery of the law the photoelectric effect and contributions to mathematical physics.

量子力学PPT-01

量子力学PPT-01

如速度v=5.0102m/s飞行的子 弹，质量为m=10-2Kg，对应的 德布罗意波长为：
h 1.3 10 25 nm mv
太小测不到！
h 1.4 10 2 nm mv
X射线波段
二、电子衍射实验
1、戴维逊-革末实验
戴维逊和革末的实验是用电子束垂直投射到镍单晶，电子 束被散射。其强度分布可用德布罗意关系和衍射理论给以解释， 从而验证了物质波的存在。1937年他们与G. P.汤姆孙一起获得 Nobel物理学奖。 K
（ 7）
p 对于光子， h / c, p h / c 则
h 2 p p pp cos cos c
代入式（7），可解出

或
h 1 2 (1 cos ) mc

（ 8）
1 1 h [1 (1 cos )] 2 mc
2、跃迁频率法则：原子在两个定态之间跃迁 时，吸收或发射的辐射的频率ν是
h En Em
（频率条件）
(二)玻尔理论的成就和局限性:
成就:
玻尔理论成功地解释了氢 原子和碱金属的线光谱. 局限性: 无法解释光谱线的强度, 无法解释其它的复杂原子.
§1.4 微粒子的波粒二象性
一、德布罗意的物质波
实验装置：
电子从灯丝K飞出，经电势 差为U的加速电场，通过狭 缝后成为很细的电子束，投 射到晶体M上，散射后进入 电子探测器，由电流计G测 量出电流。
G
M
实验现象：
I
实验发现，单调地增加加速电压， 电子探测器的电流并不是单调地增 加的，而是出现明显的选择性。例 如，只有在加速电压U=54V,且 θ =500时，探测器中的电流才有极 O 大值。

《量子光学》课件

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详细描述
量子光学的发展经历了从经典到量子、从理论到实验的演变。
总结词
量子光学的发展始于20世纪初，当时科学家开始研究光的量子性质。随着量子力学的建立和发展，人们逐渐认识到光不仅具有波动性质，还具有粒子性质。此后，量子光学逐渐发展成为一个独立的学科领域，并不断取得新的研究成果和突破。
详细描述
CHAPTER
CHAPTER
量子光学应用
05
03
量子信道容量
研究量子信道的容量限制，为量子通信技术的发展提供理论支持。
01
量子密钥分发
利用量子态的不可复制性，实现通信双方安全地生成和共享密钥，用于加密和解密信息。
02
量子隐形传态
利用量子纠缠，实现量子态的信息传输，即使在遥远距离上也能传送量子态的信息。
利用量子并行性和量子纠缠等特性，设计高效的量子算法，用于解决某些经典计算机难以处理的问题。
《量子光学》PPT课件
目录
contents
量子光学概述量子光场的描述量子光源量子光学实验量子光学应用总结与展望
CHAPTER
量子光学概述
01
量子光学是一门研究光子与物质相互作用、光子自身行为的科学。
总结词
量子光学是物理学的一个分支，主要研究光子与物质的相互作用以及光子自身的量子行为。它涉及到光子的产生、传播、吸收、散射等过程，以及光子与其他粒子相互作用时的量子特性。
新型量子光源
单光子源可实现单光子级别的操作、量子纠缠光源可实现量子通信和量子计算等应用。
特点
量子通信、量子计算、量子传感等。
应用
CHAPTER
量子光学实验
04
总结词
揭示量子波动性
详细描述
双缝干涉实验是量子光学中经典的实验之一，通过让单光子依次通过两条细缝，在屏幕上观察到明暗相间的干涉条纹，从而证明了光具有波动的特性。

高二物理竞赛量子光学 课件


（1） 维恩根据经典热力学得出 e0 (,T )
e0 ( , T )
c1
5
c2
e T
维恩曲线
c1 3.70 1016焦耳 米2 / 秒
c2 1.43102米开
16
19.1 黑体辐射
维恩理论值在短波区域与实验值符合得很好,长波方向与 实验值不符。
（2） 瑞利和金斯用能量均分定理和电磁理论得出
e0 (,T )
2ck T 4
e0 (,T )
瑞利-金斯曲线
该式只适于长波，趋于短
波时偏离较大。
0 时 e（0 ，T)
T=1646k
被称为“紫外灾难”。 17
19.1 黑体辐射
19.1.3 普朗克能量子假说
德国物理学家普朗克为了解决上述问题，通过分析和深
入研究发现，经典理论不适用于原子性的微观振动,通过对实
太阳的表面温度
T
b
m
2.897 103 4.9 107
5.9103 (K )
14
19.1 黑体辐射
太阳单位表面积上所辐射的功率即太阳辐出度
一年内辐射的能量
E E0 d 2 t
由 E mc2
得
ห้องสมุดไป่ตู้
m
E c2
E0d 2t
c2
6.9 107
3.14 (1.39109 )2 (3108 )2
365
二、辐出度：
单位时间、单位表面积上所辐射出的各种波长的辐射总能量，用 E（T) 表示。
三、单色辐出度：
单位时间、单位表面积上所辐射出的在波长 附近单位波长区间内的能
量。
e(,T ) dE(,T ) d
平衡热辐射: 辐射和吸收的能 量恰好相等时，物体和辐射场就 处于温度一定的平衡态，平衡态 下的辐射称为平衡热辐射。

量子光学(1)


（8.2.1）
其中
，
的是二能级原子，即
， 为二能级原子的激发态， 为基态。系统对应 将方程（8.2.1）代入方程（8.1.7）得
期待值涉及到库的初始状态，因此我们选择一种具有特殊态模型的库。
2.2 热库
我们假定库变量是分布在无关联的热平衡混合态中，这样库约化密度算符就是 热密度算符的多模推广形式
（8.2.3）
（8.2.8） （8.2.9）
（8.2.8） 原子密度算符的矩阵元的运动方程可以通过方程（8.2.8）得到
我们可以注意到 aa bb 0 这是因为我们只考虑高能级 和低能级 之间的衰变
由概率守恒知 aa bb 1 当温度T为零时，即
上面的方程简化为
（8.2.11a）式正是采用态失导出的外斯可夫-维格纳（Weisskopf-Wigner） 理论结果
（8.1.1）
其中 SR 为系统和库的组合密度算符，TrR 表示对库求迹。
我们设系统与库的相互作用能量用
表示，SR 的运动方程为
（8.1.2）
对上式积分得
（8.1.3）
系统和库的耦合作用是从 t ti 开始的，将（8.1.3）式代回（8.1.2）式得
（8.1.4）
如果相互作用能量 成
为零，则系统和库是无关联的，并且当库平衡时，密度算符写 。因为 很小，所以把方程（8.1.4）解的形式写为
其中 kB 是玻尔兹曼常量，T是温度。我们很容易证明：
为热平均玻色粒子数
（8.2.5）
把（8.2.4）式代入(8.2.2)式中 得
（8.2.6）
（8.2.6）
现在我们进行如自发辐射的外斯可夫-维格纳（Weisskopf-Wign（8.2.7）

量子光学课件古英

1940---1960 World WarÆRadarÆEnhanced signal ÆMaserÆhigh frequencyÆLaser 12
Quantum Optics几乎没有什么进展，原因有（2） （1）经典的电磁理论Maxwell方程太过完美 （2）光源 （热光源下，观察不到量子现象；激光？）
1901年，Max Planck Æ quanta 1905年，A. Einstein Æ photon 1913年，Bohr 解释了原子的分立谱线 1923年，Compton scattering theory E=ħω 1924年，DeBrogli 提出了物质波的波粒二象性 1927年，Quantum mechanics 建立，相对论 1924年，DeBrogli 提出了物质波的波粒二象性 1930年，QED建立, Feyman
描述微观粒子间的相互作用 物理量由算符和波函数表达
光场是量子化的电磁场
光与物质相互作用时，“理论”划分
全经典理论：光和物质均为经典 半经典理论：光是经典，介质是量子 半量子理论：光是量子，介质是经典 全量子理论：光和物质均为量子
ω
8
二、量子光学的发展历程 1、量子力学的发展史（与光相关的部分）
1900-1930，物理学发展的黄金时期，量子力学初建， 现代物理学的基础
A、黑体辐射问题 黑体：任何频率的光100%被吸收
ν
9
黑体辐射的实验结果
解决不了紫外发散的困难 Planck公式，长波和短射电磁波是以一份一份的方式 进行，每一份（量子）的能量是ħω
ħ： Planck常数，架起经典和量子的桥梁
10
B、光电效应（1888年H.Hertz发现的）
定义粒子数算符 n＝a＋a

量子光学1

2 4 2 4 2
m0 C m0 C 2h 0 (1 cos ) 2 即： 2m0C h( 0 )(7) C ( 0 ) h (1 cos )(8) 0 m0C


h ˆ n C h 0 ˆ0 n C



nh (n 1,2,3,)
普朗克常量
34
3h 2h 1h
h 6.626075510 J s 3 2π h d 普朗克黑体辐射公式 e (T )d 2 h / kT c e 1
M (T )(109 W/(m 2 Hz ))
瑞利 - 金斯公式
0

（4）吸收系数 和反射系数
钨丝 （5800K）
/ 1014 Hz
2 4 6 8 10 12
二 基尔霍夫定律 （1）黑体 能完全吸收照射到它上面的各种频率 的电磁辐射的物体称为黑体 .（黑体是理想模型）
（2）基尔霍夫定律
e1 (T , ) e2 (T , ) e0 (T , ) a1 (T , ) a2 (T , )
V
电流饱和值 m im I（光强）
瞬时性
i
im1
im2 i
I2 I1
当光照射到金属表面上时， U0 几乎立即就有光电子逸出
I 2 I1
U
o
截止电压 U 0
eU0 Ek max
U0
Cs K Cu
截止电势差与入射光频率 具有线性关系. 截止电压
U 0 与光强无关
截止频率（红限）
0 才发生光电效应， 仅当 截止频率与材料有关与光强无关 .
{
h 0 ˆ n C 0 mV
h 0 2 h 2 h 0 h (mV ) ( ) ( ) 2 cos (4) C C C C
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（瑞利—琼斯公式） 当 则 时，即波长向短波（紫外）方向不断变短时，
*维恩公式: 应用类似于麦克斯韦速率分布方法.
e T , c e 0 1
c 2 5 T
在短波区域与实验相附合,在长波区有较大偏离.
经典物理概念竟然得出如此荒唐的结论，物理学史上称之 为 “ 紫外灾难 ” 。 黑体辐射问题所处的困境成为十九世 末“物理学天空中的一朵乌云”，但它却孕育着一个新物理概 念的诞生。
量子光学-1
2、近年来的发展
•粒子物理： •量子电动力学、重整化方法 •天体物理：
•太阳中微子短缺问题 •引力波存在的问题 •物体的速度能否超过光速的问题
•生物物理
•有机体遗传程序的研究（须运用量 子力学、统计物理、X射线、电子能 谱和核磁共振技术等）。 •非平衡热力学及统计物理
3、物理学发展的趋向
黑体实验模型
黑体辐射测量
黑体（小孔表面） 分光元件
集光透镜 平行光管 会聚透镜及探头 分光元件（如棱镜或光栅等）将不同波长的辐射按一 定的角度关系分开，转动探测系统测量不同波长辐射的强 度分布。再推算出黑体单色辐出度按波长的分布。
实验结果：
（1）绝对黑体的总辐出度E 0(T) 随绝对温度T的升 高迅速地增大； （2）随温度 T增高, m值向短波长方向移动。 （3）绝对黑体的辐射规律与空腔的形状及材料无关； e0(T, )
数学表达式， T , 角度去寻找符合实验曲线的 e 0
但均无成功，其中最具有代表性的是瑞利—琼斯和 维恩所做的工作。
经典物理遇到的困难
*瑞利---琼斯公式:1890年，瑞利和琼斯将经典的电磁 理论和分子运动论中的能均分定理应用到热辐射中，
但沿用经典物理概念（如经典电磁辐射理论和能量均分定理） 去推导一个符合实验规律的黑体单色辐出度函数 均遇到困难。瑞利—琼斯推导结果是
•学科之间的大综合 •相互渗透结合成边缘学科 原子是构成物质的基本单元； 能量是连续变化的。
4、从经典物理学到近代物理学过渡的三个重大问题
•1887年的迈克耳孙—莫雷实验否定了绝对参考系的存在； •1900年瑞利和金斯用经典的能量均分定理说明黑体辐射问题，出现了所谓 “紫外灾难”； •1896年贝克勒尔发现放射性现象，说明原子不是物质的基本单元，原子是 可分的。
宏观领域
经典力学
量子力学 相 对 论
现代物理的理论基础
第一节
15 - 1
热辐射
定性图述
辐出度
a T , ( T ,) 1

依据
的不同，物体可分为： a T ,
1. 选择性吸收体：在一定温度下，只对某些 或某段波长范围的辐射有明显吸收，对其他波 长吸收很少。 有色反光体 2. 灰体：单色吸收系数是一个常数，但小于1. 它对各种波长的辐射有同等程度的吸收和 反射. 3. 绝对黑体： 在任何温度下均能全部吸收投 射到它上面的辐射，即吸收系数为1，反射系数 为0.
T3 T3 > T2 >T1
E Te T,d
T2 T1 0
0

m
(nm)
黑体辐射规律
斯特藩于1879年根据实验曲线得出 玻尔兹曼于1884年从理论上证明
E O( T )
黑 体 的 单 色 辐 出 度 斯特藩-玻耳兹曼定律 -4 s 5.67×10 - 8 W· m - 2· K
维恩位移定律
1893年维恩根据实验得出
b = 2.898 ×10 - 3 m · K
波长
0
1
2
3
4
5
6
10- 6 m
由于基尔霍夫定律，使得 “绝对黑体的单色末期，许多物理学
家为探寻绝对黑体的单色辐出度数学表达式付出了极大 的努力。他们从热力学、统计力学、电磁场理论等不同
一般辐射的复杂性
黑体
*绝对黑体：能100%吸收投射在它上面的外来辐射。 为什么引入绝对黑体模型？
O
*基尔霍夫定律
实验表明：经过一段时间后容器内
物体达到相同温度,即处于热平衡态.
a c b d
这表明:容器内的每一个物体单位时 间内辐射能量恰好等于吸收的能量. 即单色辐出度大的物体,单色吸收系 数也大.
e ,T) 0(
实验
将同温度下的实验 瑞利-琼斯 曲线、瑞利—琼斯公式 和维恩公式的函数曲线 绘制于同一图中 维恩理论值
T=1646k
用经典理论解释热辐射的问题碰到了困难---向物理学理 论大厦飞来的一朵乌云! 为了摆脱困境，普朗克提出了与经典理论相背离的 “辐射体能量量子化” 假设,在此基础上终于找到了与实 验结果完全符合的绝对黑体单色辐出度的数学表达式。

普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck, 1858―1947)
德国物理学家，量子物理学的开创者和奠基 人。 普朗克的伟大成就，就是创立了量子理论， 1900年12月14日他在德国物理学会上，宣读 了以《关于正常光谱中能量分布定律的理论》 为题的论文，提出了能量的量子化假设，并 导出了黑体辐射的能量分布公式。这是物理 学史上的一次巨大变革。从此结束了经典物 理学一统天下的局面。劳厄称这一天为“量 子论的诞生日”。 1918年普朗克由于创立了量子理论而获得了 诺贝尔奖金。
a,b,c,d 是四个 温度不同的物体 封闭在真空容器 中它们只能通过 热辐射交换能量
基尔霍夫定律: 在相同温度下,各种不同物体对 相同的波长的单色辐出度和单色吸收系数的比 值都相等,等于同温度下绝对黑体的单色辐出度.
e T , e T , 0 e T , 0 a a T , T , 0
量子力学的实验基础
光在传播过程中的表现
干涉 光的波动性 衍射 偏振
光
用光的经典电磁理论可以很好的解释
19世纪末20世纪初
光与物质的相互作用
热辐射 光电效应 康普顿效应
用光的经典电磁理论无法解释，？
量子概念是 1900 年普朗克首先提出的，距今已 有一百多年的历史.其间，经过爱因斯坦、玻尔、德 布罗意、玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多物理 大师的创新努力，到 20 世纪 30 年代，就建立了一 套完整的量子力学理论. 微观世界的理论 量子力学 起源于对波粒二相性的认识 量子力学